黃建民

【摘 要】神華號(hào)大功率傳動(dòng)電力機(jī)車是中國神華與中國南車株洲電力機(jī)車廠共同研究開發(fā)的八軸貨運(yùn)電力機(jī)車，是我國目前自主化程度最高的電力機(jī)車，國產(chǎn)化率高達(dá)90%以上，是在HXD1型機(jī)車的基礎(chǔ)上由株洲電力機(jī)車廠制造的適應(yīng)神華鐵路使用環(huán)境的交流傳動(dòng)八軸9600kW貨運(yùn)電力機(jī)車，自2013年1月份在朔黃線投入運(yùn)用以來多次發(fā)生大坡道坡停，影響了運(yùn)輸秩序。本文從神華號(hào)機(jī)車設(shè)計(jì)原理、粘著控制系統(tǒng)及運(yùn)用操縱等方面出發(fā)，深入分析了造成大坡道坡停的原因，提出了解決措施和方案，通過實(shí)施取得了良好效果。

【關(guān)鍵詞】神華號(hào)機(jī)車;坡停;原因;分析;措施

中圖分類號(hào)： U264.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）12-0054-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.12.025

0 引言

神華號(hào)大功率傳動(dòng)電力機(jī)車是中國神華集團(tuán)與中國南車集團(tuán)株洲電力機(jī)車廠為適應(yīng)神華鐵路運(yùn)輸需求共同研究開發(fā)的八軸9600KW貨運(yùn)電力機(jī)車，是我國目前自主化程度最高的電力機(jī)車，國產(chǎn)化率高達(dá)90%以上，具有極優(yōu)的性價(jià)比，是朔黃鐵路目前及未來的主型電力機(jī)車。該機(jī)車在HXD1型機(jī)車的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)車的總體性能參數(shù)、設(shè)備布置、車體、通風(fēng)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)向架等部件，機(jī)車主傳動(dòng)系統(tǒng)采用先進(jìn)的水冷IGBT（3300V/1200A）國產(chǎn)變流器，主傳動(dòng)系統(tǒng)輔機(jī)電源為3AC440V 60Hz供電，通風(fēng)、冷卻輔機(jī)為變頻控制;采用了國產(chǎn)微機(jī)控制技術(shù)，同時(shí)機(jī)車具有先進(jìn)的智能化診斷功能和導(dǎo)向安全功能，機(jī)車制動(dòng)系統(tǒng)采用國產(chǎn)DK-2制動(dòng)機(jī)。自2013年1月份在朔黃線投入運(yùn)用后擔(dān)當(dāng)朔黃鐵路萬噸列車牽引任務(wù)以來，頻繁發(fā)生坡停，已成為影響朔黃線運(yùn)輸秩序的一個(gè)主要問題。

1 問題的提出

1.1 坡停情況統(tǒng)計(jì)

神華號(hào)大功率交流傳動(dòng)機(jī)車在朔黃線牽引萬噸列車大坡道坡停主要停車區(qū)間主要集中在神池南至原平南，南灣至西柏坡間兩個(gè)長大坡道區(qū)段，該區(qū)段長度分別為84km和102km，該區(qū)段地理環(huán)境較差，屬山區(qū)地段，隧道較多。上行重車最大上坡道為4‰，下行空車最大上坡道為12‰，最小曲線半徑6OOm。神華號(hào)機(jī)車從2013年5月份投擔(dān)當(dāng)朔黃鐵路單牽萬噸列車任務(wù)以來，頻繁發(fā)生坡停， 至2018年12月份，共發(fā)生坡停57件，其中上行重車停車的31件，停車后正常再次記車成功的13件，請(qǐng)求救援的18件，下行空車停車的26件，停車后正常再次記車成功的18件，請(qǐng)求救援的8件。

機(jī)車發(fā)生坡停后容易造成兩方面的影響：一是區(qū)間故障后救援時(shí)間較長，從神華號(hào)機(jī)車發(fā)生的坡停數(shù)據(jù)分析：在發(fā)生區(qū)間救援的共26件中，影響時(shí)間最長為2小時(shí)03分，最短1小時(shí)15分，平均每列影響91分鐘。二是救援后存在安全隱患大，在長大坡道發(fā)生救援后存在聯(lián)控及信息反饋困難、停車距分相距離較近過分相困難和救援車列啟動(dòng)容易發(fā)生斷鉤、打傷鋼軌等一系列問題，一旦出現(xiàn)問題將會(huì)對(duì)運(yùn)輸安全造成極大的影響。

1.2 統(tǒng)計(jì)情況分析

（1）神華號(hào)新車上線之初，乘務(wù)員對(duì)機(jī)車性能不熟，操縱不當(dāng)。

（2）機(jī)車在長大坡道長時(shí)間低速大電流牽引，導(dǎo)致機(jī)車變流逆變裝置、牽引電機(jī)等部件故障或保護(hù)性牽引封鎖，導(dǎo)致部分牽引力喪失，大坡道時(shí)持續(xù)牽引力不足造成坡道停車。

（3）坡道起車對(duì)乘務(wù)員操縱水平要求較高，多次發(fā)生因操縱不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)車坡道起車不成功。

（4）鋼軌濕滑、雨大或撒砂不良等導(dǎo)致機(jī)車粘著不良、機(jī)車空轉(zhuǎn)及牽引力不足等，造成坡道停車。

2 原因分析

2.1 神華號(hào)大功率交流傳動(dòng)電力機(jī)車牽引特性原理

2.1.1 牽引力與機(jī)車運(yùn)行速度的關(guān)系如圖1.

圖1 神華號(hào)機(jī)車的牽引特性曲線

從圖1可以看出，牽引力與機(jī)車運(yùn)行速度的關(guān)系如下表1：

如當(dāng)手柄給定的目標(biāo)速度為100km/h，速度為0～10km/h時(shí)，機(jī)車將發(fā)揮最大功率760kN;當(dāng)機(jī)車速度為60km/h時(shí)機(jī)車只能發(fā)揮532kN的功率。

結(jié)論：牽引手柄位置一定時(shí)，隨著速度的增加，能發(fā)揮的最大牽引力將逐漸減小。

2.1.2手柄級(jí)位與速度、牽引力的關(guān)系如圖2

從圖2可以看出，運(yùn)行速度一定的情況下，手柄目標(biāo)速度的選擇決定著機(jī)車功率的發(fā)揮。

如：當(dāng)速度為0時(shí)，手柄給的目標(biāo)速度為15km/h時(shí)，機(jī)車牽引力發(fā)揮為14%，即760×14%=106.4kN;將手柄給定的目標(biāo)速度提至120km/h時(shí)，機(jī)車牽引力發(fā)揮為100% ，即760×100%=760kN。

結(jié)論：速度一定時(shí)，手柄給定目標(biāo)速度越高，牽引力發(fā)揮越大。

2.2 機(jī)車牽引力不能滿足大噸位大坡道起車牽引需要

朔黃線神華號(hào)萬噸列車編組方式為為116輛C70或108輛C80，列車總重分另為10788或10800噸，根據(jù)運(yùn)行情況，對(duì)坡道啟動(dòng)所需牽引力進(jìn)行了計(jì)算，具體如下： 以公式F=G/100x（i+3.5）進(jìn)行計(jì)算，得出神華號(hào)機(jī)車在坡道上啟動(dòng)所需要的牽引力如表2：

從表2可以看出，坡道、牽引噸位越大，則需要的啟動(dòng)牽引力越大，如在朔黃線下行，神華號(hào)大功率機(jī)車牽引編組132輛的C64空車車體，總重3236噸，列車運(yùn)行在12‰的坡道上被迫停車再起車時(shí)需要超過501.58kN的啟動(dòng)牽引力。而在上行，神華號(hào)大功率機(jī)車牽引編組116輛的C80重車車體，總重11800噸，整列列車運(yùn)行在4‰的坡道上被迫停車再起車時(shí)需要超過885kN的啟動(dòng)牽引力。神華號(hào)機(jī)車的最大啟動(dòng)牽引力為760kN，在大坡道實(shí)際僅能發(fā)揮600kN左右，所以神華號(hào)機(jī)車牽引萬噸列車在超過4‰長大上坡道區(qū)段被迫停車后，無法滿足區(qū)停后再起車的要求，造成區(qū)間救援。

2.3 粘著不良導(dǎo)致空轉(zhuǎn)坡停

輪軌間的可用粘著系數(shù)——最大粘著力和靜荷重之比，決定了機(jī)車所能發(fā)揮的最大牽引力。輪軌間的可用粘著是由輪軌接觸的物理狀態(tài)所決定的，它隨鋼軌表而狀態(tài)（干燥、濕潤）、直道或曲線、軸重轉(zhuǎn)移等因素的變化而改變。朔黃線西柏坡至神池南屬山區(qū)線路，具有陰雨大氣多、橋梁多、隧道多、彎道多等特點(diǎn)，尤其是在凌晨，軌而容易結(jié)露，粘著狀態(tài)較差，易發(fā)生空轉(zhuǎn)導(dǎo)致機(jī)車牽引力發(fā)揮不足。

當(dāng)機(jī)車的粘著利用控制通過加速度或速度差檢測(cè)到發(fā)生空轉(zhuǎn)/滑行后，必須立刻快速削減牽引力/制動(dòng)力，防止空轉(zhuǎn)/滑行的惡化，避免輪軌的擦傷。由于空轉(zhuǎn)/滑行被抑制，牽引電機(jī)因而避免了超速/堵轉(zhuǎn)，牽引變流器也避免了過流。

（1）當(dāng)輪軌間粘著狀況突變導(dǎo)致車輪加速度急劇增加，并超過保護(hù)門檻值時(shí)，控制系統(tǒng)將認(rèn)定為發(fā)生空轉(zhuǎn)，同時(shí)進(jìn)行防空轉(zhuǎn)保護(hù)。

（2）當(dāng)控制系統(tǒng)認(rèn)定發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)將迅速降低牽引力以抑制空轉(zhuǎn)發(fā)生，然后按照粘著系數(shù)斜率的變化重新尋找新的粘著點(diǎn)。

（3）當(dāng)空轉(zhuǎn)發(fā)生之后，控制系統(tǒng)將會(huì)按照新的最大粘著點(diǎn)發(fā)揮牽引力。能否恢復(fù)到空轉(zhuǎn)前的手柄設(shè)計(jì)牽引值，需視當(dāng)前輪軌粘著系數(shù)而定。在輪軌粘著條件欠佳時(shí)，如果手柄設(shè)定目標(biāo)值很大，實(shí)際力將低于設(shè)定力。

綜上所述，列車在進(jìn)入長大坡道爬坡及坡道起車過程中，應(yīng)根據(jù)大氣、線路狀況、牽引定數(shù)等具體情況，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，提高粘著系數(shù)，避免機(jī)車空轉(zhuǎn)。因撒砂不及時(shí)、機(jī)車發(fā)生空轉(zhuǎn)后盲目降低牽引力或提高牽引力以及信號(hào)變化、過分相控速不當(dāng)?shù)葐栴}，易導(dǎo)致機(jī)車空轉(zhuǎn)不能及時(shí)抑制或牽引力下降過快造成坡道停車。

2.4 坡道起車操縱失誤導(dǎo)致起車失敗

起車過車中容易發(fā)生操縱失誤的原因：

（1）起車前未建立較高的總風(fēng)風(fēng)壓，致使列車緩解時(shí)間過長或由于未及時(shí)緩解機(jī)車造成機(jī)車牽引封鎖。

（2）緩解時(shí)機(jī)與提調(diào)速手柄時(shí)機(jī)配合不當(dāng)（緩解后，提手柄太晚，造成列車后溜）;單元萬噸尾部開緩時(shí)間表，如表3

（3）停車前未為起車做好壓鉤準(zhǔn)備，致使全列車車鉤在伸張狀態(tài);

（4）坡道起車時(shí)機(jī)車功率未達(dá)到起車所需要的功率;

（5）牽引手柄在牽引位停留時(shí)間不足，在機(jī)車未發(fā)揮最大功率時(shí)退回牽引手柄。

2.5 機(jī)車故障導(dǎo)致牽引力不足或坡道停車

神華號(hào)機(jī)車自運(yùn)用以來，陸續(xù)發(fā)生主斷路器卡合，TCU、BCU故障，網(wǎng)絡(luò)干擾引起自動(dòng)降弓及門極驅(qū)動(dòng)板、牽引電機(jī)接地等導(dǎo)致機(jī)車喪失部分牽引力而坡道停車，停車后因牽引力不足無法起車造成救援。

3 改進(jìn)措施及建議

3.1 優(yōu)化機(jī)車粘著控制程序

為使神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車粘著發(fā)揮至最優(yōu)，進(jìn)一步減少空轉(zhuǎn)、滑行現(xiàn)象，研究粘著控制對(duì)踏面剝離的影響，朔黃鐵路公司、株機(jī)公司以及株洲研究所共同成立粘著優(yōu)化專題攻關(guān)小組，2013年10月至2015年12月份先后開展了9次粘著試驗(yàn)，試驗(yàn)采用單機(jī)牽引萬噸列車的模式，在神池南至肅寧北站間12‰下坡道進(jìn)行，灑水模擬雨天制動(dòng)試驗(yàn)。通過多次試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)新版粘著程序中的以下參數(shù)進(jìn)行了修改，如表4.

通過修改相關(guān)參數(shù)，新版粘著程序在機(jī)車牽引力、電制動(dòng)力提升取得了一定的效果，通過試驗(yàn)運(yùn)行，改進(jìn)后的神華號(hào)機(jī)車粘著程序能滿足朔黃線單機(jī)牽引萬噸列車的運(yùn)用需求。

3.2 優(yōu)化坡道起車辦法，提高起車成功率

3.2.1 停車為起車做準(zhǔn)備

（1）如遇前方信號(hào)變化，要求乘務(wù)員提前控制好速度，避免機(jī)車停于困難區(qū)段。

（2）如遇機(jī)車發(fā)生故障無法維持運(yùn)行，必須停車處理時(shí)，停車地點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在相對(duì)平直的線路上停車。

（3）盡量使用常用減壓方式停車，停車前，除特殊情況外，減壓速度不得低于10km/h，適量撒砂并適當(dāng)增加機(jī)車制動(dòng)力，使列車車鉤在壓縮狀態(tài)下停車，停車后應(yīng)立即將列車管追加到100KPa，為起車做好準(zhǔn)備。

3.2.2 坡道起車前準(zhǔn)備

上坡道起車前，應(yīng)根據(jù)天氣、線路坡道、曲線、列車編組、機(jī)車狀況等因素綜合考慮，做好思想準(zhǔn)備，切忌慌亂、忙中出錯(cuò)，造成起車失敗。

（1）起車前，使用強(qiáng)泵建立較高的總風(fēng)風(fēng)壓（900KPa以上），以確保向列車管快速充風(fēng);

（2）將換向手柄置前位，確認(rèn)各輔助機(jī)組啟動(dòng)正常;

（3）提前做好預(yù)想，根據(jù)減壓量的大小，判斷全列車緩解所需要的時(shí)間（按每秒鐘緩解5輛計(jì)算，確定給定調(diào)速手柄時(shí)機(jī);

（4）應(yīng)將司機(jī)室IDU畫而調(diào)至牽引數(shù)據(jù)畫面，以便觀察各牽引電機(jī)功率發(fā)揮情況。

3.2.3 坡道起車

起車時(shí)先緩解機(jī)車制動(dòng)，將機(jī)車牽引力發(fā)揮至60kN～90kN左右，將機(jī)車與車輛的車鉤拉開，然后再緩解列車制動(dòng)，在緩解列車制動(dòng)的同時(shí)迅速提高手柄位置，將牽引力給至列車啟動(dòng)所需要的牽引力，使機(jī)車保持不發(fā)生空轉(zhuǎn)的最大牽引力等待，利用后部車輛制動(dòng)逐步緩解的瞬間起動(dòng)列車。機(jī)車移動(dòng)后應(yīng)迅速提高機(jī)車牽引力，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行少量撒砂（天氣良好避免撒沙），防止機(jī)車空轉(zhuǎn)，造成起車失敗。若牽引噸數(shù)及車輛數(shù)較多，用上述方法起不動(dòng)時(shí)，可對(duì)列車進(jìn)行壓鉤（不超過1/2），同時(shí)進(jìn)行點(diǎn)式撒砂，使列車車鉤在壓縮狀態(tài)停車，停車后再重新起動(dòng)。

坡道起車時(shí)，乘務(wù)員必須正確判斷后部車輛的緩解狀態(tài)和緩解時(shí)間.掌握好提手柄時(shí)機(jī).避免因操縱不當(dāng)而造成空轉(zhuǎn)或斷鉤及列車分離事故。列車壓鉤后再起車時(shí)，應(yīng)注意手柄位置，防止因手柄位置不正確造成起車失敗。如列車起不動(dòng)時(shí)應(yīng)迅速退回牽引手柄防止打傷鋼軌，并立即采取制動(dòng)措施，防止列車溜逸。

3.3 合理操縱，抑制空轉(zhuǎn)

（1）列車接近上坡道以前，應(yīng)提前進(jìn)行預(yù)防性線式撒砂，充分發(fā)揮機(jī)車黏著牽引力，利用有利地形（線路直緩地段）盡量提高列車速度，儲(chǔ)足動(dòng)能，做先闖后爬，闖爬結(jié)合。爬坡時(shí)要注意觀察各儀表的顯示，并將IDU畫面調(diào)置牽引數(shù)據(jù)畫而，觀察各軸牽引力的發(fā)揮情況。

（2）因神華號(hào)機(jī)車具有空轉(zhuǎn)保護(hù)及軸重轉(zhuǎn)移控制功能，機(jī)車在小幅空轉(zhuǎn)后，機(jī)車將會(huì)根據(jù)列車運(yùn)行速度、牽引力自動(dòng)尋找粘著點(diǎn)并逐步增加牽引力，此時(shí)乘務(wù)員切不可操之過急，盲目降低牽引力，防止空轉(zhuǎn)進(jìn)一步加劇。

4 結(jié)束語

通過對(duì)神華號(hào)機(jī)車大坡道坡停問題的深入分析，找出了機(jī)車質(zhì)量、線路狀況及乘務(wù)員操縱方面存在的問題，經(jīng)過株洲研究所對(duì)粘著控制軟件優(yōu)化升級(jí)，優(yōu)化坡道起車操縱方法、對(duì)C80車體縮編以及對(duì)員工的現(xiàn)場(chǎng)教育等措施的落實(shí)，神華號(hào)機(jī)車在朔黃線機(jī)車大坡道坡起問題已基本得到解決，確保了神華號(hào)大功率交流電力機(jī)車在神華鐵路運(yùn)輸中的重要作用。

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